Chương 1 Computer

CHƯƠNG 1 COMPUTER Nguyễn Văn Thọ Khoa Điện tử viễn thông Đại học Duy Tân – 2010 ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Nguyen Van Tho – Duy Tan University. What is a Computer? Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1987 vs. 2007 System IBM PC/AT Nokia 6682 Smartphone Year 1987 2007 Cost Form factor CPU Memory Storage Display Peripherals ½ desktop Pocket 12 MHz 80286 220 MHz ARM 512 KB 8 MB 20MB Hard disk, 1.2MB Floppy 1GB mini-SD flash 80x25 monochrome text 176x208 pixel color keyboard Camera, phone, web $2000 $150 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Kỹ nghệ(Engineering)là gì ? • Ứng dụng khoa học và phương pháp toán học để tạo ra những sản phẩm và hệ thống có ích cho xã hội • Ngành khoa học ứng dụng • Đôi khi, khoa học cơ bản cũng là một trong những phạm vi nghiên cứu của nó Nguyen Van Tho – Duy Tan University. EE, CE & CS EE, CE & CS quan hệ với nhau rất khắn khít EE : Kỹ nghệ điện tử : phần cứng CS : Khoa học máy tính: phần mềm) CE : Kỹ nghệ máy tính : phần cứng & phần mềm Electrical Engineering Hardware Computer Science Software Computer Engineering Hardware & Software Nguyen Van Tho – Duy Tan University. EE, CE and CS Nguyen Van Tho – Duy Tan University. HARDWARE VS. SOFTWARE • Quan điểm • Kỹ sư phần mềm không hiểu biết về phần cứng hoặc • Kỹ sư phần cứng không hiểu biết về phần mềm. • Điều này không chính xác ! Phần cứng và phần mềm là 2 phần của một hệ thống máy tính. Hệ thống chỉ có thể hoạt động tốt nhất khi người thiết kế am hiểu cả 2 lĩnh vực. • Kỹ sư phần cứng phải hiểu rõ chương trình và trình biên dịch để thiết kế vi xử lý hoạt động tối ưu • Kỹ sư phần mềm phải nắm rõ các khả năng và hạn chế của phần cứng để thiết kế phần mềm hiệu quả nhất Nguyen Van Tho – Duy Tan University. DIGITAL VS. ANALOG • Cassetse vs CD’s • Điện thoại quay số vs. Cell phone • NTSC vs. HDTV Nguyen Van Tho – Duy Tan University. DIGITAL VS. ANALOG • Analog • Tín hiệu liên tục về mặt thời gian • Hầu hết các tín hiệu trong thế giới thực là analog • Digital • Tín hiệu rời rạc về mặt thời gian • Tín hiệu lưu trữ trong máy tính là digital, nhị phân t x(t) …… n x[n] Analog Signal Digital Signal ℜ∈)(, txt Ζ∈][, nxn Nguyen Van Tho – Duy Tan University. CÁC LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU • Mạch tương tự và mạch số • Truyền thông • Xử lý tín hiệu và xử lý ảnh • Hệ thống nhúng • Thiết kế phần cứng Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Analog and Digital Circuits Mạch tương tự và mạch số • Thiết kế và kiểm tra mạch điện tử • Chuyển đổi tương tự -số • Phần mềm vẽ và mô phỏng mạch sử dụng trong thiết kế mạch • Các thành phần điện tử cơ bản Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Communications Truyền thông • Telephones, Cell phones • Kênh truyền thông (dây dẫn, sóng điện từ), sự khác nhau giữa các phương pháp truyền thông, tối ưu hóa kênh truyền • Sự truyền dẫn vật lý của thông tin, mã hoá và giải mã thông tin, mã sửa lỗi… • Chuyển mạch Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Signal and Image Processing Xử lý tín hiệu và xử lý ảnh • Tiếng nói (Voice), video, biomedical signals • Xử lý tín hiệu trong truyền thông, nén thông tin, dò tìm tín hiệu • Chuyển đổi tiếng nói sang tín hiệu số • Photos – to GIFs/JPEGs • Điện tim • CDs & DVDs Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Embedded Systems Hệ thống nhúng • Vi xử lý & vi điều khiển nhúng • Lập trình cho hệ thống nhúng • Thiết kế máy tính nhúng • Thiết kế các hệ thống điều khiển tự động • Giao diện Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Design Hardware Thiết kế phần cứng • Mạch số • Ngôn ngữ mô tả phần cứng • Thiết kế, chế tạo chip • Kiểm tra mạch số (testing) Nguyen Van Tho – Duy Tan University. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY TÍNH • Thế hệ -1: The early days (…-1642) • Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) • Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • Thế hệ 4: VLSI (1980-?) • Thế hệ 5: ? Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ -1: The early days (…-1642) • Bàn tính, abacus, đã được sử dụng để tính toán. Khái niệm về giá trị theo vị trí đã được xử dụng Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ -1: The early days (…-1642) • Codex Madrid - Leonardo Da Vinci (1500) • Vẽ một cái máy tính cơ khí Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Blaise Pascal, con trai của một người thu thuế, đã chế tạo một máy cộng có nhớ vào năm 1642 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Năm 1801, Joseph-Marie Jacquard đã phát minh ra máy dệt tự động sử dụng bìa đục lỗ để điều khiển hoạ tiết dệt trên vải • Bìa đục lỗ lưu trữ chương trình: máy đa năng đầu tiên Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Babbage đã thiết kế một cái máy vi phân Difference Engine để thay thế toàn bộ bảng tính: máy thực hiện một ứng dụng cụ thể đầu tiên (application specific hard-coded machine) Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Ada Augusta King, trở thành lập trình viên đầu tiên vào năm 1842 khi cô viết chương trình cho Analytical Engine, thiết bị thứ 2 của Babbage Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Konrad Zuse, Berlin, Đức, phát triển vào năm 1935 máy tính Z-1 sử dụng rơ le và số nhị phân • Chu kỳ lệnh: 6 giây (0.17 Hz) Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Máy tính cơ điện tự động lớn đa năng đầu tiên là máy Harvard Mark I ( IBM Automatic Sequence Control Calculator ), phát minh bởi Howard Aiken vào cuối 1930 • ASCC không phải là máy tính có chương trình lưu trữ sằn mà các lệnh được ghi vào các băng giấy. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • 18000 vacuum tubes, 1500 rơ le, 30 tấn, 140 kW, 20 thanh ghi 10 chữ số thập phân, 100 nghìn phép tính/ giây • “Trong tương lai máy tính sẽ nặng tối đa là 1.5 tấn” (Popular Mechanics, 1949) Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Lập trình thông qua 6000 công tắc nhiều nấc và hàng tấn dây Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Năm 1946, John von Neumann phát minh ra máy tính có chương trình lưu trong bộ nhớ • Máy tính của ông gồm có một đơn vị điều khiển, một ALU, một bộ nhớ chương trình và dữ liệu và sử dụng số nhị phân thay vì số thập phân. • Máy tính ngày nay đều có cấu trúc von Neumann • ông đặt nền móng cho hiện tượng “von Neumann bottleneck”, sự không tương thích giữa tốc độ của bộ nhớ với đơn vị xử lý Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Năm 1948, máy tính có chương trình lưu trữ trong bộ nhớ đầu tiên được vận hành tại trường đại học Manchester: Manchester Mark I Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Năm 1951, máy tính Whirlwind lần đầu tiên sử dụng bộ nhớ lõi từ (magnetic core memories). Gần đây nguyên lý này đã được sử dụng lại để chế tạo MRAM ở dạng tích hợp. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • John von Neumann năm 1952 với chiếc máy tính mới của ông Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) • Năm 1947, William Shockley, John Bardeen, and Walter Brattain phát minh ra transistor Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) • Năm 1955, IBM công bố IBM704, máy tính mainframe sử dụng tranzistor • Đây là máy tính với phép toán dấu phấy động đầu tiên (5 kFlops, clock: 300 kHz) Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • Năm 1958, Jack St. Clair Kilby of Texas Instruments (Nobel prize physics, 2000) đưa ra và chứng minh ý tưởng tích hợp 1 transistor với các điện trở và tụ điện trên một chip bán dẫn với kích thước 1 nửa cái kẹp giấy. Đây chính là IC. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • 7/4/1964 IBM đưa ra System/360, họ máy tính tương thích đầu tiên của IBM Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • Năm 1965, Digital Equipment Corporation, đưa ra chiếc máy tính mini đầu tiên DP-8 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • Năm 1971, Ted Hoff chế tạo Intel 4004 theo đơn đặt hàng của một công ty Nhật bản để tạo chip sản xuất calculator. Đây là vi xử lý đầu tiên với 2400 transistor (microprocessor, processor- on-a-chip). • 4 bít dữ liệu, 12 bit địa chỉ Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • 1973-1974, Edward Roberts, William Yates and Jim Bybee chế tạo MITS Altair 8800, máy tính cá nhân đầu tiên • Giá $375, 256 bytes of memory, không keyboard, không màn hình và không bộ nhớ ngoài • Sau đó, Bill Gate và Paul Allen viết chương trình dịch BASIC cho Altair Nguyen Van Tho – Duy Tan University. • Năm 1981, IBM bắt đầu với IBM "PC" sử dụng hệ điều hành DOS. Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Nguồn Intel Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Nguồn Intel Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1-41 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH Luật Moore : Cứ sau mỗi 18 tháng số lượng transistor tích hợp trong bộ xử lý sẽ tăng lên gấp đôi Hệ quả : Tốc độ xử lý của máy tính tăng gấp đôi cứ sau mỗi 18 tháng Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1-42 MÁY TÍNH TRONG TƯƠNG LAI ? Giới hạn của máy tính quy ước (máy tính hiện nay) - Công nghệ bán dẫn vi điện tử đang tiến dần đến giới hạn vật lý của nó (cỡ 10nm) -Dự kiến thời đại Silic có thể kéo dài đến năm 2020 Máy tính thời kỳ “hậu Silic” - Máy tính lượng tử (quantum computer) - Máy tính sinh học (AND computer) Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1-43 MỘT SỐ DỰ BÁO SAI LẦM ¾ “I think there is a world market for maybe five computers,” [Thomas Watson, IBM Chairman, 1943] Tôi nghĩ rằng tương lai trên thế giới sẽ có khoảng 5 máy tính ¾“640K ought to be enough for anybody,” [Bill Gates, Microsoft Chairman, 1981] 640KB là quá đủ cho mọi người Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1-44 Universal Computing Device THIẾT BỊ TÍNH TOÁN VẠN NĂNG Tất cả các máy tính, nếu có đủ thời gian và bộ nhớ đều có thể tính toán chính xác như nhau = = PDA Workstation Máy tính trạm Supercomputer Siêu máy tính Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1-45 Alan Turing & Turing Machine ¾ Alan Mathison Turing (1912-1954) • Nhà toán học, logic học và mật mã học người Anh • Được xem là cha đẻ của ngành khoa học máy tính. • Công thức hóa khái niệm thuật toán và tính toán với máy Turing ¾Turing Machine (Máy Turing) • Mọi điều có thể tính toán được đều có thể tính toán bằng máy Turing • Máy Turing không phải là một máy tính thực, nó là 1 mô hình toán học Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1-46 Turing Machine (Máy Turing) Mô hình thiết bị tính toán có thể biểu diễn tất cả các phép tính toán – Alan Turing (1937) • Có thể đọc/ ghi các ký hiệu trên băng nhớ “vô hạn” • Chuyển trạng thái, dựa trên trạng thái hiện hành và ký hiệu trên băng nhớ Tất cả các phép tính toán đều có thể thực hiện bởi 1 máy Turing nào đó. (Turing’s thesis) Tadda,b a+b Turing machine that adds Tmula,b ab Turing machine that multiplies Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1-47 Máy Turing vạn năng -Universal Turing Machine Turing mô tả một máy Turing có khả năng cài đặt để thực hiện tất cả các máy Turing khác nhau. • inputs: số liệu, mô tả của một phép tính (Turing machine) U a,b,c c(a+b) Universal Turing Machine Tadd, Tmul U là một thiết bị khả trình – đó chính là một máy tính • chỉ thị là một phần của dữ liệu đầu vào • 1 computer có thể xem như là 1 Universal Turing Machine, và ngược lại Kết luận : Máy tính là một máy Turing vạn năng Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1-48 TỪ LÝ THUYẾT ĐẾN THỰC TIỄN Lý thuyết : máy tính có thể giải quyết mọi bài toán có thể tính được nếu có đủ bộ nhớ và thời gian Thực tế : giải quyết một bài toán dựa trên máy tính bị ràng buộc với những yếu tố sau : • Thời gian ¾dự báo thời tiết, audio, video, ... • Giá thành ¾ cell phone, automotive engine controller, ... • Năng lượng ¾ cell phone, handheld video game, ... Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1-49 CÁC LOẠI MÁY TÍNH ƒ Đa dụng : General purpose (universal machines): servers, desktops, laptops, PDAs, ... ƒ Đặc biệt (Special purpose ): máy đếm tiền, ATMs, máy chơi game, tổng đài... ƒ Nhúng (Embedded): xe hơi, cửa tự động, printers, VCRs, dây chuyền công nghiệp, thiết bị y tế….